基于挤出成形的坭兴陶3D打印工艺与打印泥膏研究*

石海信 陈 延 胡国章 王廷革 崔 丹 王荣健

(1 北部湾大学石油与化工学院 广西 钦州 535011)

(2 广西钦州千秋陶业有限公司 广西 钦州 535000)

前言

3D打印技术又称为“增材制造”技术，采用数字分层——物理层积的增材加工方式[1]，可以极大地缩短产品制造时间和提高材料利用率。坭兴陶是中国四大名陶之一[2]，传统坭兴陶的制作包含炼泥、制坯、烧制及打磨等几十道工序，环环相扣、缺一不可，且在制作特殊形状制品时需要制作特殊的模具，制模的复杂程度使得每一个新品的推出都须付出很大的代价。若能将3D打印技术引入到坭兴陶产业中，则有可能加快产品开发及生产速度，满足客户及市场的多样化要求，这就使得3D打印技术成了坭兴陶产业界及学者关注与研究的热点。目前陶瓷增材制造技术主要有陶瓷粉末的选择性激光烧结[3]、陶瓷浆料的光固化成形[4]、粉末层喷头3D打印[5]、陶瓷膏体的挤出[6]等4种方式，其中的挤出成形工艺不需要消耗大量的能量(如激光、紫外光等)，设备具有成本低廉、结构简单、便于操作，对工作环境要求较低且可成形复杂的陶瓷器皿等优点。因此，将挤出成形3D打印技术引入坭兴陶行业，是将传统制陶“人与泥”关系变革为现代数字智能制造技术“人与数字”关系的有益尝试。笔者深入探究气压挤出坭兴陶3D打印工作原理与工艺过程，分析坭兴陶打印材料即坭兴陶泥膏特性，并对产品质量监控方法进行了总结，旨在为坭兴陶绿色化、智能化制造提供试验设计及方法参考。

1 气压挤压成形3D打印技术

1.1 挤出成形原理

将待打印的半流质坭兴陶泥膏装入挤出料筒，选择不同口径的打印喷嘴并配合一定的空压机气压挤出动力，导入数控系统中编辑好的G代码，在计算机的控制指令下，压缩空气通过挤压方式迫使泥膏料筒中的泥膏按照设定的挤出速度，从打印喷嘴中挤出，挤出喷嘴按计算机软件生成的路径在X-Y平面上移动，进行单层的打印成形；喷嘴完成一层打印后，打印平台沿Z轴方向按预设位移量下移，继续下一层的挤出打印过程[7]，泥膏依次逐层挤压粘接堆叠成坭兴陶生坯。成形设备及成形原理分别见图1和图2。

图1 挤出成形设备

从图2可见，XYZ结构的挤出成形设备为方形框架结构，挤出喷嘴的运动依靠步进电机带动在X、Y轴移动，打印平台通过电机带动螺杆沿着Z轴运动。

图2 挤出成形工作原理图

图2所示的成形工作原理图中，挤出喷嘴内径一般为0.5～2 mm，打印速度为5～20 mm/s、挤出气压为420～4 000 kPa、挤出喷嘴与成形平台的距离8～14 mm。喷嘴内径决定3D打印机喷出丝状泥膏的直径，打印速度与挤出气压是关系最为密切的影响因素，也是影响产品成形效果的最关键因素之一。打印速度的设置需满足在每一层打印完成后，该层泥膏能产生足够的自支持强度，还要能承受随后在其上层堆积的泥膏重量，使之不发生变形或塌陷；打印速度还要与挤出气压相适应，在一定的挤出气压下，若打印速度过快会造成打印线条断续、拖拽等现象；若打印速度过慢，则会产生打印线条过粗、泥膏堆积等现象。挤出气压对坭兴陶3D打印的影响也很大，挤出气压低会使坭膏的喷射量不足，造成打印线条断断续续，严重时出现拖拽已打印完成的线条的现象；气压过高则挤出泥膏的流量会加大，造成打印线条变粗，甚至出现泥膏堆积成水蛇腰的情况，还会对打印机接口部件造成损伤。挤出气压也与泥膏输送管长度有关，泥膏输送管越长，推动泥膏所需要的气压越大。挤出喷嘴与成形平台距离也影响打印效果，若距离较远，坭膏由喷嘴挤出后不能迅速与成形平台粘连，泥条在空中发生扭转，与成形平台粘连后出现明显的锯齿状，打印坯品与设计图形出现较大偏差，影响成形效果；若距离太近，坭膏挤出后迅速与成形平台粘连，虽可以避免泥条空中旋转问题，但会出现喷嘴刮擦打印泥条的现象，造成打印泥条表面出现凹槽现象。总的来说，泥膏在挤出成形过程中有2个关键控制点：

(1)挤出。即泥膏能顺利从喷嘴挤出。

(2)成形。即已挤出的泥膏能在成形平台上保持一定的形状。

这2点不仅仅与坭兴陶泥膏中固含量有关，也与打印过程中的各个工艺参数有关，包括层高、打印速度、挤出速度、重叠面积、回抽距离及填充率等。因此，需反复调试才能确定精细造型、特异造型及大型坭兴陶坯品的最优打印工艺参数。

1.2 挤出成形工艺流程

基于气压挤出成形的坭兴陶3D打印工艺流程见图3。

图3坭兴陶挤出成形工艺流程图

从图3可知，坭兴陶挤出成形工艺主要分为5个步骤：

(1)建模。①扫描建模。扫描建模属于逆向设计，对已有陶器进行三维扫描或自动测量，再由计算机生成坭兴陶三维数字模型[8]。已有陶器可以是待修复的坭兴陶文物，或者典型的坭兴陶珍品，当然在扫描时及对所得模型保存及使用须不能使原作品版权受到侵害。常用的三维扫描软件有：UG、headus 3D tools、Copy CAD、Poly Works、Geomagic Studio等。②CAD软件建模。软件建模属正向设计，借助CAD软件开展独立自主的新颖坭兴陶器设计，常用的建模软件有：Rhino、UG、Pro/E、3ds Max、Solidworks、ZBrush、Maya、C4D等[9]。通过扫描或软件完成坭兴陶器件数字建型后，导出为.stl格式文件，该格式文件可以将三维坭兴陶模型表面进行三角剖分，利用得到的系列小三角面片来近似表达模型的真实表面。

(2)切片。将坭兴陶3D模型.stl文件导入切片软件，根据挤出成形参数(层高、打印喷头口径、接缝点位置排列形式、填充比例、壁厚层数、打印速度等)将坭兴陶3D模型进行水平方向的切割，得到一层一层的3D打印机可识别的2D截面.gcode格式即G代码[10]，并预计打印所需时间与耗材数量。常用的切片软件有：Cura、Slic3r、XBuilder、Simplify 3D、Maker Bot、SolidWorks等。

(3)打印。将打印机与PC机相连，让切片文件与打印机进行数据直接交换进行联机打印，或将切片输出的.gcode格式文件保存在U盘或SD卡并插入打印机中，实施脱机打印。在正式打印前，设置好打印机各参数，同时将练泥所得的打印泥膏装入泥膏储筒中，再通电进行气压挤出成形，得到湿坭兴陶生坯。“建模→切片→打印”这3个核心工艺原理示意图见图4。

图4 坭兴陶3D打印工艺原理示意图

(4)干燥及后处理。打印成形坯品与传统拉坯成形坯品虽然所用泥膏属性基本一致，但打印成形坯品还是有其特殊性：由泥条挤压层叠而成，各层之间靠泥膏自身粘力相连，坯品强度低于传统坯品；层叠而成的表面还会形成横向纹理，纹理大小决定于喷嘴内径。若要制作表面光滑的坭兴陶器，可用海绵砂将坯品表面打磨。有的设计师则巧妙地利用这种纹理来设计出独具风格的首饰，如澳大利亚Gilbert Riedelbauch将首饰与数字技术结合，通过保留FDM法生成的表面肌理，成功创作“CSH”胸针作品[11]。当然，打印坯品在未干燥之前也与传统的拉制坯品一样，具备一定的塑性，可通过捏、划、刻、雕等手法进行二次处理，使造型具有断裂、刻画、镂空等装饰效果。如美国Phillip Renato偏好通过后处理消除首饰表面的纹理，设计出镂空结构或复杂几何形状的作品，以凸显3D打印特点和自己的设计风格[12]。然而，3D打印更大的痛点来源于打印成形坯品在干燥与烧制过程中的收缩与意外形变。3D打印成形后，坯品内部仍含有一定量水分，这部分水分必须排出，以免在烧结过程中由于大量水分吸热汽化带来能量损失与各种缺陷。但如果干燥的温度、时间、速率等因素控制不好，将会导致干燥后的坯品发生收缩变形和开裂。这是因为坯品表面水分挥发快，干燥收缩较大，坯品内部水分由内向外挥发逸出相对较慢，干燥收缩较小，这就造成了坯品内外表面因收缩率差异而产生的应力，如果应力较大会使坯品开裂。与传统拉坯或注浆所成坯品相比，打印坯品具有壁薄、外形复杂等特点。因此，在干燥过程中，应考虑水分在坯品外表面、内部及不同方向上蒸发不同速率，以免导致坯品在不同部位尺寸收缩、变形、裂纹等缺陷。为使坯品各处水分蒸发趋于同步，可选择自然阴干和热风干燥相结合的联合干燥法对打印坯品进行干燥。自然阴干可让坯品均匀干燥，热风干燥则可加快干燥速度，热风干燥时要注意避免坯品局部受热；在干燥初期宜采用自然阴干方式，在干燥后期由于坯品剩余水分很少，不会有太大的收缩，可以采用热风干燥以加快干燥速度，提高生产效率。如果是打印有一定弧度或者较高的作品时，在打印成形过程中可用热风进行热塑固形，以防止湿坭膏坯品在成形过程中发生坍塌变形。特别易变形的坯品还可采用真空冷冻干燥技术进行干燥，即将坯品置于较低的温度下(-50～0 ℃)冷冻后，在真空条件下，让坯品中的水分直接从固态升华为气态排出，该干燥技术在干燥过程中不受表面张力[13]，因此不会发生变形开裂等现象。

(5)烧成。将经干燥及后处理(如打磨或雕刻)的打印坯品与常规拉坯制作的坯品一起装入窑炉进行烧成。在烧制内部具有填充结构的打印陶器时，需要在陶器底板制作通气孔道使内部气体排出。烧成过程中，升温速率、保温时间和温度是烧成的3大要素，升温过快，晶粒长大也快，这不利于气体的排出。保温时间过长会引起晶粒异常长大。在确定坯体烧成工艺前，可利用热失重-差示扫描量热仪(TGA-DSC)对打印坭膏的热特性进行分析，以便精确找到水分和有机质的热分解温度区间，以此制定烧成工艺曲线，控制烧成过程变温速度，以避免出现炸坯现象。图5为利用瑞士梅特勒-托利多公司TGA/DSC1型同步热分析仪测出的经过干燥的坭兴陶3D打印坯品的TGA-DSC曲线。

图5 坭兴陶3D打印坯品的TGA-DSC曲线

由图5可知，从室温到1 000 ℃的升温烧成过程中，总失重3.3%。其中失重较快的是室温到100 ℃，在此温度段存在一个吸热峰，应为坯品中自由水吸热逸出，失重0.15%，原因是干燥完成后的生坯还残存有自由水，需要在缓慢的升温过程中将其蒸发，若升温速率过快，水分挥发过快，易产生变形、开裂等缺陷；在240～520 ℃有多个吸热峰，可能是坯品吸附的结构水及极少量有机物因受热而热解并逸出，在520 ℃残存水及有机物基本挥发完全。由此可知，烧成温度一旦高于240 ℃，坯品中残留结构水会迅速挥发，所含的有机物也会迅速分解、氧化产生CO2和H2O，这些CO2和H2O又会立刻挥发，产生大量的空位，这些空位一部分形成孔隙，使产品密度降低，所以此温度段仍须以较慢速度升温，超过520 ℃不再出现明显的吸热峰。根据坯品热特性曲线，可得到坭兴陶3D打印坯品参考烧成曲线(见图6)。

图6 坭兴陶3D打印坯品参考烧成曲线

2 挤出成形3D打印泥膏

2.1 泥膏成分与配制工艺

坭兴陶气压挤出成形的首要条件是必须拥有与3D挤出打印机相匹配的打印材料(即泥膏)。打印泥膏的关键性能是细腻度、流变性和可塑性，这3个特性对坯品的密度、成形精度有很大影响，还影响坭兴陶器的成品率。坭兴陶属地理标志产品，是采用广西钦州特有的白泥、红泥这二种泥料按一定比例混合练泥而成[14]。白泥与红泥主要物相有石英SiO2，伊利石KAl3Si3O10(OH)2·nH2O，高岭石Al2O3·2SiO2·2H2O，镁磁铁矿石MgxFe3-XO4，红泥还含有赤铁矿Fe2O3及方解石CaCO3。坭兴陶泥膏较为细腻，这与陶泥矿藏地的地质特征有关。坭兴陶泥膏最大特点为固相含量高、粘度低、成本低，且坭兴陶矿物的物相组成基本上是亲水性的，其所含的粘土本身就是一种永久性粘合剂，水既是溶剂也是粘合剂，不存在液相分离、膏体性能不稳定等问题，采用以水为溶剂进行泥膏制备可以获得绿色环保的坭兴陶生坯，该生坯有机物含量低，无须采取单独的排胶预烧，可将排胶、烧成在一次烧结过程中完成，不但简化了生产工艺程序，还缩短了坯体烧成时间，因此坭兴陶泥膏是绿色环保、环境友好的打印材料。泥膏主要缺点是收缩性较大，可通过优化练泥、配泥、干燥、烧成等工艺来解决收缩问题。配泥工艺流程为：白泥、红泥矿石→露天陈腐→球磨成粉→过筛→配泥(白+红)→搅拌淘洗(3～4次)→取漂浆过筛→醒泥发酵→真空练泥→泥膏[15]。由此配制所得泥膏，具备了作为3D打印材料的基本特性，即良好的细腻度、流动性和可塑性。从试验得知，泥膏细腻度达到能过200目、湿度20%～40%基本符合要求。湿度太低，泥膏较硬，流动性与可塑性均较差，需要过高的挤出气压，存在安全风险；湿度过高则泥膏流动性太大，无法支撑坯品的形状。泥膏制备与填装过程还须注意将气泡去除，气泡的存在会在打印过程中发生崩裂，影响坯品的打印效果。

2.2 泥膏性能表征

白泥与红泥配比对泥膏的打印性能有重要影响。白泥含量太少会使泥膏的粘度较小，打印时会出现溢流现象；白泥含量太多则会使打印的泥条力学性能变差，无法承受叠压或拉伸变形，还可能会出现粘度太大而使喷嘴堵塞的现象。在合理的白泥红泥配比基础上，泥膏含水量则决定了其流动性。传统坭兴陶拉坯工艺主要通过控制含水量来控制泥膏的流动性，但在3D打印过程中，较高的含水量会导致多种问题，如较高的孔隙率、较低的力学强度、较高的变形率等。为了更好的流动性而提高含水量的做法并不完全适用于3D打印泥膏。可考虑选用高效减水剂以便在保证力学强度的前提下提高泥膏的流动性以减少收缩率[16]。白泥、红泥配比及含水量对泥膏流动度影响的测试方法，目前尚无相关的测试标准和技术规程，若采用测试粘度的方法来测试泥膏的流变性能，因泥膏固含量达到60%以上，用旋转粘度计根本无法进行测定。实验发现，借助GB/T 2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》可顺利地实现对泥膏流动度的测定[17]。将待测试泥膏分两层装入试模并按标准规定的方法捣匀，然后将截锥圆模向上轻轻提起并立刻开动电动跳桌，以1次/s的频率，10 mm的振幅振动(25±1)s，即可测得泥膏流动度。实验发现，流动度在100～170 mm的泥膏能顺利从不同内径喷嘴挤出，可满足3D打印对泥膏流动性的要求。

为了进一步改善泥膏的流动性能，对于粘附力较差的泥料，可以考虑使用粘结剂等外加剂，通过外加剂的改性作用使泥膏具备优异性能，在颗粒间产生胶结作用，从而适当增加粘度，改善流动性，保证3D打印正常进行。常用的粘结剂有淀粉、糊精、羧甲基纤维素、阿拉伯树胶等高分子物质，在固相含量为55%～75%范围内进行实验，确定固相含量及外加剂添加量，使打印泥膏的原料泥选择更广，以进一步缓解泥兴陶泥料资源可能出现短缺问题。

2.3 打印陶器质量检测

3D打印坭兴陶的质量主要通过测试收缩率、微观形貌及内部缺陷等3个方面进行控制：

(1)收缩率测定。坭兴陶烧结收缩率是指陶器制件烧成后的尺寸与干燥时的尺寸之差的百分比[18]，由于烧成窑炉、烧结条件、生坯制件的形貌尺寸等的影响，都有可能导致陶器收缩率发生变化，从而影响到烧成陶器的性能。因此，测定坭兴陶3D打印制品的收缩率，有助于调整泥膏成分、打印工艺、烧成制度，减少因过大的尺寸收缩导致3D打印废品的出现。

(2)微观形貌测试。利用扫描电子显微镜(SEM)观测不同影响因素下的坭兴陶打印泥膏及烧成品的微观形貌，分辨尺寸在十几纳米到上百微米。具体测试方法：用导电双面胶将1 cm2大小的待测干燥泥膏或烧成品小块碎片固定在SEM样品台上，真空喷金后置于电镜下观察样品微观形貌，用于指导坭兴陶3D挤出成形整个工艺流程的优化。

(3)超声波检测。坭兴陶内部结构的缺陷可通过超声波检测发现，这是一种无损检测方法[19]，可采用非金属超声波检测仪(如NM-4A型)测定弹性模量来进行分析。

3 结语与展望

坭兴陶是千年窑火淬出的传统工艺品，3D打印则是一项全新的增材制造技术，“坭兴陶+3D打印”是艺术与技术的跨界组合，该组合为参与的两方带来了更加精彩的前景。合理利用3D打印独特制作而非批量生产的特点，可让不同造型的个性化定制更容易实现，而坭兴陶古老的工艺特点与文化内涵可以提供更具特色的制作体验与外观欣赏；坭兴陶泥料相对于其他陶泥具有更为明显的细度优势，坭兴陶坯品烧成后所呈现的千姿百态的窑变色，与追求时尚多变的年青人审美情趣相吻合。虽然气压挤出成形技术在坭兴陶3D打印造型上取得了突破，但要想完全颠覆传统制陶文化与工艺，要走的路还很漫长。未来3D打印技术与坭兴陶制造工艺的融合可以从以下两个方向着力。

(1)打印材料与打印技术系统优化。挤出成形坭兴陶3D打印是以钦州特有的白泥与红泥为基础制作的泥膏作为打印材料的，在打印造型完成之后，还要进行干燥、烧成等处理，在干燥及烧成过程中存在着与传统成形一样的收缩，对于非圆弧的多棱角造型的打印陶器，更易因收缩应力而发生变形或开裂，因此，要突破烧结时棱角造型的陶器残余应力消除这一技术难题，可考虑配制免烧泥膏，使打印出的造型即为最终产品；还可研发出系列低收缩率打印泥膏，以便能制作出不同大小、不同外观的3D打印珍品，结合坭兴陶产业发展需要，将3D打印泥膏商品化，同时与不同规格(喷嘴)的打印机进行匹配，研究制订挤出成形坭兴陶3D打印技术与打印泥膏行业标准、地方标准、团体标准或企业标准予以规范，以便使3D打印的坭兴陶能规范化推广应用。

(2)打印器形创意与著作权保护。坭兴陶3D打印技术在坭兴陶产业的成功实践，不仅取决于产业规模，更取决于创意。如果不能给予创意作品及时有力的著作权保护，模仿者便可以轻而易举地快速在市场上推出类似产品，创作者竞争优势的获得和保持将变得前所未有的困难。优秀的坭兴陶3D创意作品，从数字模型的设计到建立，需要花费创作者大量的时间及体验，当一个作品最终打印完成之后，作者所享受的著作权的保护不应仅仅只是最后完成的作品，如果对建模、切片等处理所形成的打印文件保护不周全，可能会出现大量山寨品，这不仅是对原创作者权益的侵犯，也构成了对整个行业的冲击。可从2个方面进行保护：①打印的创意作品进行“画龙点睛”式的再创作，植入创作者人文情感及印记，如手工雕刻装饰、签名等，使每一件作品均具有唯一性，也使山寨作品仅形似而无神韵，提升3D打印作品的艺术价格；②建立与坭兴陶3D打印相适应的著作权保护法，在大师创意作品权益保护与普惠作品公众体验权益保护之间找到平衡点，有选择性地将坭兴陶3D打印珍品及相应的模型打印数据进行著作权保护，使3D打印在坭兴陶行业中得到更为规范与可持续的发展。